氫氘燈光譜 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

姓名：aTiaoE-mail：kangyubing@氫氘燈光譜實(shí)驗(yàn)報(bào)告【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私馄矫婀鈻艈紊珒x的結(jié)構(gòu)與使用方法。驗(yàn)證氫同位素的存在。用光柵光譜儀測(cè)量氫、氘原子光譜巴耳末線系的前四對(duì)譜線波長(zhǎng)（4100～6500左右），計(jì)算氫氘里德伯常數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，計(jì)算氫和氘的原子核質(zhì)量比,計(jì)算質(zhì)子與電子的質(zhì)量比?！緦?shí)驗(yàn)原理】氫、氘原子光譜氫原子光譜是最簡(jiǎn)單、最典型的原子光譜。用電激發(fā)氫放電管（氫燈）中的稀薄氫氣（壓力在102Pa左右），可得到線狀氫原子光譜。瑞士物理學(xué)家巴爾未根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出氫原子光譜在可見光區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)公式 λH=λ0n2n2-4 式中λH為氫原子譜線在真空中的波長(zhǎng)，λ若用波數(shù)νH νH~=1λH=RH(12式中RH 根據(jù)玻爾理論，對(duì)氫和類氫原子的里德伯常數(shù)的計(jì)算，得 RZ=2π2m?4式中M為原子核質(zhì)量，m為電子質(zhì)量，e為電子電荷，c為光速，h為普朗克常數(shù)，ε0當(dāng)m→∞時(shí)，可得出相當(dāng)于原子核不動(dòng)時(shí)的里德伯常數(shù)（普適的里德伯常數(shù)） R∞=2π2m?所以 Rz=R∞1+m∕對(duì)于氫，有 RH=R∞1+m∕MH這里是氫原子核的質(zhì)量。由此可知，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得氫的巴爾末線系的前幾條譜線的波長(zhǎng)，可求得氫的里德伯常數(shù)。里德伯常數(shù)R∞R∞=10973731.568549(83)氫的巴爾末線系波長(zhǎng)譜線符號(hào)波長(zhǎng)(nm)H658.280H486.133H434.047H410.174H397.007H388.906Hη383.540H379.791H377.063H375.015值得注意的是，計(jì)算RH和R∞時(shí)，應(yīng)該用氫譜線在真空中的波長(zhǎng)，而實(shí)驗(yàn)是在空氣中進(jìn)行的，所以應(yīng)將空氣中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成真空中的波長(zhǎng)。即λ真空=λ空氣＋波長(zhǎng)修正值氫譜線HHHHHHΔ0.1810.1360.1210.1160.1120.110關(guān)于MD/同一元素的不同同位素且有不同的核質(zhì)量和電荷分布，由此引起原子光譜波長(zhǎng)的微小差別稱為“同位素位移”。一般來(lái)說(shuō)，元素光譜線同位素位移的定量關(guān)系是很復(fù)雜的，只有像氫原子這樣的系統(tǒng)，同位素位移才可以用簡(jiǎn)單的公式計(jì)算。氫原子核是一個(gè)質(zhì)子，其質(zhì)量為MH，氘核比氫核多一個(gè)中子，其質(zhì)量為MD。由(2.5-6)式可知 RD=R∞1+m∕2由(2.5-7)式和(2.5-6)式可知氘氫原子核的質(zhì)量比 MDMH=R對(duì)于巴爾末線系，氫和氘的譜線計(jì)算公式分別為 νH~=1λH=RH( νD~=對(duì)于相同的n，由(2.5-9)式和(2.5-10)式可得氫和氘的同位素位移為 Δλ=λ【實(shí)驗(yàn)儀器用具】WGD-8A型組合式多功能光柵光譜儀，由光柵單色儀、接收單元、掃描系統(tǒng)、電子放大器、A/D采集單元、計(jì)算機(jī)組成。如圖2.5-2所示。入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍0~2.5mm連續(xù)可調(diào)，光源發(fā)出的光束進(jìn)入入射狹縫S1，S1位于反射式準(zhǔn)光鏡M2的焦面上，通過(guò)S1入射的光束經(jīng)M2反射成平行光束投向平面光柵G上，衍射后的平行光束經(jīng)物鏡M3成像在S2上和S3上，通過(guò)S3可以觀察光的衍射情況，以便調(diào)節(jié)光柵；光通過(guò)S2后用光電倍增管接收，輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。在光柵光譜僅中常使用反射式閃耀光柵。如圖所示，鋸齒形是光柵刻痕形狀?，F(xiàn)考慮相鄰刻槽的相應(yīng)點(diǎn)上反射的光線。PQ和P’Q’是以I角入射的光線。QR和Q’R’是以I'角衍射的兩條光線。PQR和P’Q’R’兩條光線之間的光程差是bsin bsin時(shí)，光強(qiáng)有一極大值．或者說(shuō)將出現(xiàn)一亮的光譜線。對(duì)同一k．根據(jù)I,I’可以確定衍射光的波長(zhǎng)λ，這就是光柵測(cè)量光譜的原理。閃耀光柵將同一波長(zhǎng)的衍射光集中到某一特定的級(jí)K上。為了對(duì)光譜掃描，將光柵安裝在轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，可以改變?nèi)肷浣荌，改變波長(zhǎng)范圍，實(shí)現(xiàn)較大波長(zhǎng)范圍的掃描，軟件中的初始化工作，就是改變l的大小。改變測(cè)試波長(zhǎng)范圍?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及處理】光電倍增管測(cè),根據(jù)電腦輸出數(shù)據(jù)，得到譜線在空氣中的波長(zhǎng)，將其修正為真空波長(zhǎng)，修正公式為：=+根據(jù)公式根據(jù)公式對(duì)氫光譜進(jìn)行處理如下表得到=10958562.45根據(jù)公式對(duì)氘光譜進(jìn)行處理如下表得到=10961406.49由公式,其中=1836。將、帶入，可以得到：N34561.811.712.052.05CCD測(cè)量N34譜線名稱中心波長(zhǎng)656485通道橫坐標(biāo)86384210501038654.428654.223485.254485.1370.1810.1810.1360.136654.609654.404485.390485.27310998932.1911002377.7410987728.0810990377.24計(jì)算得到=10993330.14=10996377.49根據(jù)公式，計(jì)算得到：n=3時(shí)，=2.35n=4時(shí)，=1.79【實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題以及思考題解答】注意事項(xiàng)狹縫和寬度和電壓調(diào)整，電壓應(yīng)該控制在500～1000之間，狹縫寬度應(yīng)該控制到一定范圍之內(nèi)，狹縫太窄會(huì)使得信號(hào)太弱難以尋峰，狹縫太寬會(huì)使得氫氘分裂間距?。灰⒁庾寶潆疅魧?duì)準(zhǔn)狹縫，否則可能會(huì)導(dǎo)致搜索不到光信號(hào)；誤差分析實(shí)驗(yàn)儀器產(chǎn)生的誤差；利用測(cè)出的數(shù)據(jù)檢峰時(shí)產(chǎn)生的誤差，可能會(huì)有峰不明顯造成的峰值讀取